Kimyasal tepkimelerin gerçekleşmesi çarpışma teorisine dayanır. Bir tepkimenin hızı, birim zamanda gerçekleşen etkin çarpışma sayısı ile doğru orantılıdır. Reaktiflerin derişimi (birim hacimdeki tanecik sayısı) arttıkça taneciklerin birbirleriyle karşılaşma ve uygun geometride çarpışma olasılığı artar; bu da tepkime hızını doğrudan yükseltir.

1. Hız Bağıntısının (Hız Kanunu) Yazılması

Bir kimyasal tepkimenin hızı ile reaktiflerin derişimleri arasındaki matematiksel ilişkiyi gösteren denkleme hız bağıntısı denir.

Genel bir tek basamaklı tepkime için:

• $[ \text{A} ]$ ve $[ \text{B} ]$: Maddelerin molar derişimleridir ($\text{mol/L}$).

• $a$ ve $b$: Tepkime denklemindeki katsayılardır (bağıntıya üs olarak yazılır).

• $k$: Hız sabitidir.

• Kritik Kural: Hız bağıntısına yalnızca gazlar ($g$) ve suda çözünmüş maddeler ($suda$ / $aq$) yazılır. Saf katılar ($k$) ve saf sıvılar ($s$) derişimleri sabit olduğu için hız bağıntısında yer almaz.

2. Tepkime Derecesi (Mertebesi) ve Molekülerite

• Tepkime Derecesi: Deneysel olarak belirlenen hız bağıntısındaki derişimlerin üsleri toplamıdır.

  $$r = k \cdot [\text{A}]^a \cdot [\text{B}]^b \implies \text{Tepkime Derecesi} = a + b$$

• Molekülerite: Net tepkime denkleminde giren tüm maddelerin (katı ve sıvılar dahil) katsayıları toplamıdır.

  • Tek tanecik giriyorsa: Monomoleküler (Ünimoleküler)

  • İki tanecik giriyorsa: Bimoleküler

  • Üç tanecik giriyorsa: Trimoleküler

3. Hız Sabitinin ($k$) Biriminin Bulunması

Hız sabiti $k$‘nin birimi tepkimenin toplam derecesine ($n$) bağlı olarak değişir:

(Burada $n$, tepkimenin toplam derecesidir).

• $n = 1$ (1. Derece) ise $\rightarrow \text{s}^{-1}$

• $n = 2$ (2. Derece) ise $\rightarrow \text{L} \cdot \text{mol}^{-1} \cdot \text{s}^{-1}$

• $n = 3$ (3. Derece) ise $\rightarrow \text{L}^2 \cdot \text{mol}^{-2} \cdot \text{s}^{-1}$

4. Basamaklı (Mekanizmalı) Tepkimelerde Derişim Etkisi

Birden fazla adımda gerçekleşen tepkimelerde:

1. Hız bağıntısı net tepkimeye göre değil, en yavaş basamağın reaktiflerine göre yazılır.

2. Ara Ürün: Bir basamakta oluşup sonraki basamakta harcanan maddedir (Net denklemde ve hız bağıntısında yer almaz).

3. Katalizör: Yavaş basamağa girip tepkimeyi hızlandıran ve hiçbir kimyasal değişime uğramadan çıkan maddedir (Hız bağıntısında yer alabilir, net denklemde yer almaz).

5. Gaz Tepkimelerinde Hacim ve Basınç Değişimi

Sabit sıcaklıkta gaz fazında gerçekleşen tepkimelerde kabın hacmi değiştirildiğinde molarite değişir ($M = \frac{n}{V}$):

• Hacim yarıya indirilirse ($V \rightarrow V/2$): Tüm gazların derişimi 2 katına çıkar ($M \rightarrow 2M$).

• Örneğin hız bağıntısı $r = k \cdot [\text{X}] \cdot [\text{Y}]^2$ olan bir tepkimede hacim yarıya inerse:

  $$r_{\text{yeni}} = k \cdot (2[\text{X}]) \cdot (2[\text{Y}])^2 = 8 \cdot r_{\text{eski}} \quad (\text{Hız } 8 \text{ katına çıkar})$$

Çözümlü Sorular

Soru 1: Deneysel Verilerden Hız Bağıntısını Bulma

Sabit sıcaklıkta kapalı bir kapta gerçekleşen;

tepkimesi için farklı başlangıç derişimleriyle elde edilen hız değerleri tablodaki gibidir:

Buna göre:

a) Tepkimenin hız bağıntısını yazınız.

b) Tepkime derecesini bulunuz.

c) Hız sabiti $k$‘nin sayısal değerini ve birimini hesaplayınız.

Çözüm:

• a)

  • A’nın derecesi: 1 ve 2. deneylerde $[\text{B}]$ ve $[\text{C}]$ sabitken $[\text{A}]$ $2$ katına çıkmış, hız da $2$ katına çıkmıştır ($4 \times 10^{-4} / 2 \times 10^{-4} = 2$). Demek ki hız, $[\text{A}]$‘nın $1$. kuvvetiyle orantılıdır: $[\text{A}]^1$.

  • B’nin derecesi: 1 ve 3. deneylerde $[\text{A}]$ ve $[\text{C}]$ sabitken $[\text{B}]$ $2$ katına çıkmış, hız $4$ katına çıkmıştır ($8 \times 10^{-4} / 2 \times 10^{-4} = 4 = 2^2$). Demek ki hız, $[\text{B}]$‘nin $2$. kuvvetiyle orantılıdır: $[\text{B}]^2$.

  • C’nin derecesi: 1 ve 4. deneylerde $[\text{A}]$ ve $[\text{B}]$ sabitken $[\text{C}]$ $3$ katına çıkmış, ancak hız değişmemiştir ($2 \times 10^{-4}$). Demek ki $\text{C}$ maddesi hız bağıntısında yer almaz ($[\text{C}]^0$).

    $$\text{Hız Bağıntısı: } r = k \cdot [\text{A}] \cdot [\text{B}]^2$$

• b) Tepkime derecesi üsler toplamıdır:

  $$\text{Derece} = 1 + 2 = \mathbf{3}$$

• c) 1. deneyin verilerini bağıntıda yerine koyalım:

  $$2 \times 10^{-4} = k \cdot (0{,}1)^1 \cdot (0{,}1)^2$$
  $$2 \times 10^{-4} = k \cdot 10^{-3} \implies k = \frac{2 \times 10^{-4}}{10^{-3}} = \mathbf{0{,}2}$$

  • $k$‘nin birimi: $n=3$ olduğundan $\left(\frac{\text{L}}{\text{mol}}\right)^{3-1} \cdot \frac{1}{\text{s}} = \mathbf{\text{L}^2 \cdot \text{mol}^{-2} \cdot \text{s}^{-1}}$

Soru 2: Hacim Değişiminin Hıza Etkisi

Tek basamakta gerçekleşen;

tepkimesinin gerçekleştiği kabın hacmi sabit sıcaklıkta $3$ katına çıkarılıyor.

Buna göre tepkime hızı başlangıçtakinin kaç katına iner?

Çözüm:

1. Tek basamaklı tepkimenin hız bağıntısı:

   $$r_1 = k \cdot [\text{X}]^2 \cdot [\text{Y}]$$

2. Kabın hacmi $3$ katına çıkarılırsa ($V \rightarrow 3V$), molar derişimler başlangıçtaki değerinin $\frac{1}{3}$‘ine düşer:

   $$[\text{X}]_2 = \frac{[\text{X}]}{3}, \qquad [\text{Y}]_2 = \frac{[\text{Y}]}{3}$$

3. Yeni hız bağıntısı:

   $$r_2 = k \cdot \left(\frac{[\text{X}]}{3}\right)^2 \cdot \left(\frac{[\text{Y}]}{3}\right) = k \cdot \frac{[\text{X}]^2}{9} \cdot \frac{[\text{Y}]}{3} = \frac{1}{27} \cdot (k \cdot [\text{X}]^2 \cdot [\text{Y}])$$
   $$r_2 = \frac{1}{27} r_1$$

   Tepkime hızı başlangıçtakinin $\frac{1}{27}$‘sine düşer (hız 27 kat yavaşlar).